Наука в 2014 годуֶ: подводя итоги

Эксперты особо подчеркнули быстрое развитие технологии КубСат (CubeSat) – так называется новый, миниатюрный вид начиненных научными приборами космических спутников, имеющих кубическую форму (со стороной 10 см и общим весом 1,33 кг). Эта технология получила широкое распространение среди ученых различных университетов и лабораторий мира в силу того, что позволяет любой группе ученых разработать свой КубСат для выполнения задуманного ею научного исследования в космосе. Выведение таких спутников на орбиту тоже достаточно дешево, так как одна ракета может вывести сразу целую группу этих небольших и легких кубиков. В результате такой «приватизации» космической технологии за последние годы в ближнем космосе уже появились сотни таких КубСатов (уже созданы и более миниатюрные ПокетСаты весом в сотни и даже десятки граммов).

В дополнение к выводам своих научных экспертов журнал Science опубликовал также результаты проведенного им опроса тридцати пяти с лишним тысяч читателей. По мнению читательского большинства, главным научным достижением 2014 года было упомянутое выше создание двух новых, искусственных, химических звеньев ДНК и «омоложение» старых мышей кровью молодых. Полет «Розетты» читатели поставили лишь на третье место.

Некоторые из научных достижений минувшего года уже были описаны в предыдущих выпусках нашей рубрики (см., например, «Окна» от 6.11 – об «омоложении», от 20.11 – о бета-клетках и т. д.), а о других мы планируем рассказать в ближайшем будущем.

**************************************************************

Жизнь и тектоника

Природа подобно живому организму пронизана нитями незримых связей, и если первейшая задача науки состоит в поиске и анализе новых природных явлений, то важнейшая ее задача, несомненно, состоит в выявлении связей между этими явлениями и процессами, ибо только понимание этих связей делает зримыми те тайные пути, по которым природа идет в своем саморазвитии. Недавняя работа группы Бенджамина Миллса и его коллег из Эксетерского университета (Великобритания) может служить хорошим примером сказанному. Эти исследователи обнаружили связь двух, на первый взгляд, весьма отдаленных явлений природы: возникновения жизни на Земле и тектоники, то есть тех могучих движений вещества, которые непрерывно происходят внутри и на поверхности нашей планеты.

Независимо от того, возникла земная жизнь из местных органических материалов или они были занесены метеоритами из космоса, первые следы жизни на Земле в виде слоя явно биологических (микробиальных) отложений на поверхности древнейших скал Западной Австралии насчитывают 3,5 млрд лет. Ученые установили, что в более ранний период формирования Солнечной системы ее внутренние планеты подвергались длительной бомбардировке большими и даже огромными (десятки километров в поперечнике) астероидами. Поэтому можно думать, что могучие удары этих громадин вызывали планетарного масштаба катастрофы, уничтожавшие всякую жизнь, даже если она возникала. Это объясняет, почему жизнь на Земле появилась лишь через миллиард лет после ее образования.

Однако эти первые формы земной жизни не были похожи на нынешние. Клетки нынешних живых существ, начиная с бактериальных, получают необходимую для жизни энергию с помощью кислорода. Они сжигают (окисляют) сахара, получаемые с пищей, и запасают их энергию в виде особых молекул АТФ (этот процесс называется клеточным дыханием). Но на ранней Земле свободного кислорода не было. В силу своей активности он уже на ранних этапах существования Земли целиком вошел в соединения с различными другими элементами. (Основная масса кислорода и сегодня находится в глубинах Земли в таком связанном состоянии - в виде соединения с кремнием и магнием, так называемого бриджманита, который составляет около 38% всей массы Земли.) Поэтому те первые формы земной жизни, которые появились 3,5 млрд лет назад, наверняка были анаэробными, то есть приспособленными существовать без кислорода.

Поначалу они, видимо, всю пищу получали извне, но затем какие-то из них обрели способность запасать в себе молекулы СО2 и соединять их с атомами водорода, получая таким манером углеводороды, то есть органические вещества. Энергию для такой работы эти клетки получали извне: как думают ученые сегодня, это была энергия горячих источников на дне океана - гидротермальных скважин. А источником водорода им служил сероводород (H2S), образующийся в океане благодаря вулканической деятельности: они разлагали его и использовали водород для создания нужной им органики (то есть сами внутри себя производили свою пищу). Затем некоторые из этих клеток, поднявшись к поверхности океана, сумели освоить там новый, более надежный источник энергии - солнечный свет - и стали производить свои углеводороды с помощью фотосинтеза. Но источником водорода и для них по-прежнему оставался H2S.

Однако запас H2S в океанах был мал. Он должен был скоро исчерпаться. И тогда наступило что-то вроде глобального голода. В этих условиях фаворитами эволюции стали те клетки, которые случайно приобрели способность получать водород не из сероводорода, а из воды (H2О). Они разлагали воду на водород и кислород, а поскольку кислород был для них, анаэробов, токсичен, они выделяли его наружу. Так на Земле впервые появился свободный кислород. Создателями его были цианобактерии. Впрочем, тот кислород, который они выделяли, недолго оставался свободным. В океане было растворено огромное количество железа, которое немедленно соединилось с кислородом, образуя окись железа. (И действительно на дне современных океанов найдены огромные полосы этой окиси.) Лишь после того как все минералы в воде и на суше были окислены, кислород стал поступать в атмосферу в заметных, постепенно возрастающих количествах. Это позволило некоторым клеткам сделать следующий эволюционный шаг –отказаться от фотосинтеза и перейти к клеточному дыханию, то есть к выработке необходимой энергии прямо внутри себя за счет сжигания получаемой извне пищи с помощью кислорода.

Появление в земной атмосфере достаточного количества свободного кислорода было, таким образом, революционным скачком в истории жизни на Земле. Его начали 2,5 млрд лет назад цианобактерии и «примкнувшие к ним» зеленые водоросли (они вместе и сегодня производят 70% ежегодной добавки кислорода в атмосферу). Эту революцию еще называют Кислородной катастрофой (из-за связанной с ней гибелью большинства анаэробов) или Великим окислением. Но растянулось это окисление на целых 2 млрд лет, ибо современные формы жизни, основанные на клеточном дыхании, возникли лишь 550 млн лет назад. Первые 600 млн из этих 2 млрд лет кислород окислял железо и другие элементы на дне океана, следующий 1 млрд лет он шел на окисление горных пород на суше, и еще 200-300 млн ушли на создание защитного озонового слоя. Лишь 700-600 млн лет назад уровень свободного кислорода в атмосфере стал стремительно повышаться, делая возможным массовое появление все более сложных форм современной жизни. И как утверждают Миллс и его коллеги, именно на этом последнем этапе появлению жизни помогла земная тектоника.

Словом «тектоника» в науке обозначаются процессы, происходящие в земной коре, – появление гор и т. п. Земная кора, как заключил еще в 1913 году Вегенер, разделена на огромные плиты, которые несут на себе континенты и под влиянием ряда факторов медленно движутся относительно друг друга (скользят по подстилающей их вязкой верхней мантии). В местах стыка одна из плит уходит под другую (это называется сабдукцией), и ее вещество, попав в раскаленную мантию, переплавляется в ней, а потом этот расплав, выдавливаясь изнутри Земли, разрывает в определенных местах дно океана между плитами, заново раздвигает их, одновременно наращивая. Этот процесс как раз и называется тектоникой плит и играет ведущую роль в цикле углерода на Земле. Тот углерод, который образуется в целом ряде земных процессов, включая вулканические, уходит в атмосферу, выпадает потом с дождями на землю, соединяется с веществом скал, выветривается и стекает в океан, где образует карбонатные отложения. В результате сабдукции эти отложения уносятся «тонущими» плитами внутрь Земли, и их углерод затем опять возвращается в атмосферу за счет вулканов.

Этот цикл, понятно, связан с жизненными процессами на Земле. Есть и другие связи тектоники плит с жизнью (так, по мнению некоторых исследователей, эта тектоника регулирует температуру на Земле и ее магнитное поле, защищающее все живое). И вот теперь Миллс и его коллеги нашли еще одну интересную связь. Они обратили внимание на тот факт, что новая кора, непрерывно образующаяся в разрывах на дне океанов, тоже подвергается под влиянием океанских течений своеобразному «выветриванию», и оно тоже уносит углерод (принесенный сабдукцией) в придонные отложения. Компьютерное моделирование этих двух процессов показало, что во времена раннего, «молодого» Солнца основным механизмом извлечения углерода из атмосферы было придонное «выветривание», но примерно 1,5 млрд лет назад стало возрастать выветривание наземное, которое 600-500 млн лет назад стало основным. Согласно модели Миллса, это способствовало более быстрому нарастанию уровня кислорода в атмосфере, а вдобавок имело исключительной важности последствие: в результате преимущественного выветривания наземных скал резко увеличилось содержание фосфора в реках и озерах Земли. А этот элемент играет ключевую роль во многих фундаментальных жизненных процессах - от образования ДНК до построения «энергетических батареек» АТФ (буква «Ф» в их названии как раз означает фосфор).

Так что это небольшое, на первый взгляд, открытие существенно меняет представления науки о роли тектоники плит в появлении жизни. В частности, оно подкрепляет мнение тех ученых, которые уже давно (начиная с книги Уорда и Браунли «Уникальная Земля», 2000) утверждают, что даже вполне землеподобные по другим параметрам планеты могут быть лишены жизни, если на них нет тектоники плит (ее нет, например, на Венере). А это по-новому ставит вопрос о распространенности внеземной жизни. Неизбежны новые споры, новые наблюдения и расчеты – и новые открытия.

Рафаил Нудельман
"Окна", 1.1.2015